一种双玻太阳电池PV/T集热器及实现方法与流程

本发明涉及一种双玻太阳电池pv/t集热器及设计方法，属于太阳能光伏热领域。

背景技术：

太阳电池在光伏发电中仅有小于18％的入射太阳能被转换为电能，绝大部分太阳能吸收后被转换为热能，导致太阳电池温度升高。太阳电池温度升高1℃，转换效率将会下降0.25％-0.5％。因此，如何降低太阳电池温度，并将产生热量回收利用，成为一个新的研究领域。相关研究最早始于1978年，由美国的两位学者kern和russell提出pv/t太阳能系统的设计概念。其后，大量研究人员针对pv/t太阳能系统的理论、结构及实验开展了研究工作，例如：魏晨光等介绍pv/t系统相对于单纯的光伏发电系统，单位面积的能量利用率会有200％～300％的提升，而且与建筑的结合具有较高的可行性。孙建等人建立了空气型聚光pv/t系统的数学模型，并对集热器的热、电效率进行了分析，结果表明，热效率可达65％。sandnes在耐热塑料扁盒上粘贴单晶硅电池，制成pv/t集热器。peigang等利用光伏电池片之间的空隙，将热管粘贴在铝板上制成热管pv/t，实验得出其平均电、热效率为10.2％、45.7％。季杰等将小型贮能式光伏系统与家用平板型太阳热水器结合起来,把光伏电池组件层压在热水器的扁盒式铝合金集热板上，其日平均热效率可达40％,日平均发电效率约9.15％。另外，部分覆盖太阳电池pv/t集热器被研究，结果表明其能有效提高系统工作温度和系统实用性。

但是，在先前报到的pv/t集热器中，太阳电池直接粘贴在集热器的上表面，对于全覆盖的pv/t集热器，工作温度较低，实用性差。对于部分覆盖太阳电池的pv/t集热器，吸热板温度上升较快会直接加速太阳电池温度的升高，一定程度上减小了太阳电池的输出效率。

技术实现要素：

为了解决现有pv/t集热器存在的下述技术问题：(1)pv/t集热器实用性差；(2)集热器吸热板导致太阳电池温度升高；(3)pv/t集热器中太阳能转换效率与实用性之间不平衡的问题，本发明公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器及实现方法要解决的技术问题是：提供一种双玻太阳电池pv/t集热器及实现方法，能够提高pv/t集热器实用性，降低吸热板导致太阳电池温度升高的影响，实现pv/t集热器设计中太阳能转换效率与实用性之间的平衡。本发明还具有结构简单的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器，主要由双玻太阳电池组件、空气层、吸热板、保温材料层、边框组成。双玻太阳电池组件作用主要包括：一是光伏发电，将太阳能转换为电能输出；二是透光，通过太阳电池之间的间隙，太阳光经过空气层到达吸热板转换为热能；三是保温，双玻太阳电池组件位于pv/t集热器顶部，利用双玻太阳电池组件中玻璃的低导热特性，将pv/t集热器吸热板与外部空气隔离，进而减少吸热板热量通过pv/t集热器顶部耗散到环境中。双玻太阳电池组件包括上层玻璃、eva胶膜、太阳电池片、下层玻璃。双玻太阳电池组件中相邻太阳电池片之间预留用于太阳光入射的间隙，间隙面积与双玻太阳电池组件总面积之比称为透光率，太阳电池面积与双玻太阳电池组件总面积之比称为覆盖率。太阳电池功率由双玻太阳电池组件透光率或覆盖率而定。所述空气层作用为：利用空气层低导热率减小吸热板温度对太阳电池温度的影响。所述吸热板用于吸收入射太阳能实现集热作用，包括吸热平板、工质流通管。保温材料层用于减小集热器热量通过底部和侧面向空间环境耗散，起到保温作用。边框主要用于固定双玻太阳电池pv/t集热器各个部件。双玻太阳电池组件位于双玻太阳电池pv/t集热器顶部。双玻太阳电池组件与吸热板之间预留有用于减小吸热板温度对太阳电池温度影响的空气层。保温材料填充于双玻太阳电池pv/t集热器底部和周侧壁面，边框位于保温材料层外侧，用于固定双玻太阳电池pv/t集热器各个部件。

作为优选，通过调整双玻太阳电池组件中相邻太阳电池之间的间隙，调节双玻太阳电池的透光率，即调节太阳电池覆盖率，进而调节双玻太阳电池pv/t集热器工作温度，通过调整太阳电池片之间的间隙，实现透光率范围在5％-80％之间，即实现太阳电池覆盖率在95％-20％之间。

作为优选，利用空气层低导热率减小吸热板温度对太阳电池温度的影响，根据所述影响大小，优选空气层的厚度在3-5cm之间。

作为优选，吸热板主要由吸热平板、工质流通管组成，工质流通管由数根铜管平铺成排管，排管之间的距离在5-10cm之间，排管两端与集管焊接，排管与吸热平板之间焊接连接，排管与吸热平板间有很好的导热性能有利于吸热平板吸收太阳辐射的热量，并为工质加热，加热工质由工质入口加入，由工质出口流出。对于吸热平板要求具有大于95％的吸收率，发射率小于0.1。

作为优选，工质流通管中工质为空气或水。

作为优选，保温材料主要由玻璃棉组成，保温材料层厚度在4-5cm。

作为优选，综合考虑成本和固定支撑要求，边框材料采用铝合金材料。

本发明公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器的工作方法为：太阳光透过双玻太阳电池组件中太阳电池之间的间隙，太阳光经过空气层到达吸热平板转换为热能，所述吸热平板与工质流通管之间具有优良的导热性有利于吸热平板吸收太阳辐射的热量，并为工质加热。通过位于顶部的双玻太阳电池组件玻璃将吸热平板与pv/t集热器外部空气隔离，进而减少吸热板热量通过pv/t集热器顶部耗散到环境中，实现保温作用。利用低导热率的空气层减小吸热板对太阳电池温度的影响。通过保温材料层进一步减小集热器热量通过底部和侧面向空间环境耗散。通过调整双玻太阳电池组件中相邻太阳电池之间的间隙，调节太阳电池覆盖率，实现透光率范围在5％-80％之间，太阳电池覆盖率在95％-20％之间，进而调节双玻太阳电池pv/t集热器工作温度和通过双玻太阳电池组件的输出功率。

本发明公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器的实现方法，包括如下步骤：

步骤一：建立双玻太阳电池pv/t集热器太阳电池温度、吸热板温度与主要结构参数之间关系。

太阳电池温度tpv特性表示为(1)式所示。

式中，ta为集热器内部环境温度；noct为标称工作温度；e为太阳辐照度。

吸热板温度与太阳电池覆盖率特性关系表示为式(2)所示。

tc＝[(1-ξ)·e·(τa)e]/ul+ta(2)

式中，ξ为太阳电池覆盖率；(τα)e为玻璃的透射率与吸热板吸收率的乘积；ul为集热器的热损失系数。

即通过公式(1)、(2)建立双玻太阳电池pv/t集热器太阳电池温度、吸热板温度与设计结构参数之间关系。所述主要结构参数包括双玻太阳电池组件的透光率、覆盖率、热损失系数、玻璃的透射率、吸热板吸收率。

步骤二：建立双玻太阳电池pv/t集热器主要结构参数及结构与能量转换传输之间的关系，包括双玻太阳电池组件光电转换关系、能量传输关系、集热器内部热传输关系、双玻太阳电池pv/t集热器热损失关系。

双玻太阳电池pv/t集热器入射太阳能量qa表示为(3)式所示。

qa＝ae(3)

上式中，a为双玻电池组件的面积。

双玻太阳电池组件的输出电功率qe关系为(4)式所示，即建立双玻太阳电池组件光电转换关系如公式(4)所示。

qe＝aeηξ(4)

上式中，η为太阳电池光电转换效率，a为双玻电池组件的面积。

双玻太阳电池组件透过太阳能量qr表示为(5)式所示。

qr＝aeτ(1-ξ)(5)

上式中，τ为双玻电池组件中玻璃的透过率。

吸热板吸收太阳能qxr表示为(6)式所示。

qxr＝aeτ(1-ξ)(τα)e(6)

上式中，(τa)e为吸热板吸收率。

在双玻太阳电池pv/t集热器中，太阳电池组件与集热器吸热平板间热传输主要为热辐射和空气对流传热两种方式，传输的热量qt表示为(7)式所示。

qt＝qtr+qtc(7)

其中，辐射传热部分热量qtr表示为(8)式所示。

式中，tc为吸热板温度；ε为太阳电池组件发射率；c0为太阳电池组件辐射系数。

对流传热部分热量qtc表示为(9)式所示。

qtc＝ah(tpv-tc)(9)

上式中，h为空气的对流传热系数。

即通过公式(7)、(8)、(9)建立集热器内部热传输关系。

pv/t集热器在转换太阳能为电能热能的同时，会向周围环境辐射热量，称之为热损失。双玻太阳电池pv/t集热器热损失主要包括顶部、背部及侧部热损失，其与集热器的结构、材料和工作温度参数有关，损失热量ql近似表示为(10)式所示。

上式中，δb为集热器背部保温材料厚度；δe为侧部保温材料厚度；λb为集热器背部保温材料热导率；λe为集热器侧部保温材料热导率；ab为集热器背部面积；ae为集热器侧部隔热层面积；ut为顶部太阳电池组件热损失系数。

即通过公式(10)建立双玻太阳电池pv/t集热器的热损失关系。

步骤三：根据实际工况，基于步骤一建立双玻太阳电池pv/t集热器太阳电池温度、吸热板温度与主要结构参数之间关系，以及建立双玻太阳电池pv/t集热器主要结构参数及结构与能量转换传输之间的关系，得到所述双玻太阳电池pv/t集热器实现参数，并按照所述双玻太阳电池pv/t集热器实现参数和结构关系安装布设双玻太阳电池pv/t集热器。

根据实际工况，根据能量守恒定律，由(6)(7)(8)(9)(10)式，建立双玻太阳电池pv/t集热器主要参数与输出热量之间的特性关系如(11)式所示。

根据实际工况，并根据公式(2)(4)(11)得到所述双玻太阳电池pv/t集热器实现参数，并按照所述双玻太阳电池pv/t集热器实现参数和结构关系安装布设双玻太阳电池pv/t集热器。

步骤四：根据实际工况，基于步骤一建立双玻太阳电池pv/t集热器太阳电池温度、吸热板温度与主要结构参数之间关系，以及建立双玻太阳电池pv/t集热器主要结构参数及结构与能量转换传输之间的关系，通过调整双玻太阳电池组件中太阳电池数量和相邻太阳电池之间的间隙，调节太阳电池覆盖率，实现透光率范围在10％-80％之间，太阳电池覆盖率在90％-20％之间，进而调节双玻太阳电池pv/t集热器工作温度，双玻太阳电池组件的输出功率。

有益效果：

1、本发明公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器及实现方法，太阳光透过双玻太阳电池组件中太阳电池之间的间隙，经过空气层到达吸热板转换为热能，所述吸热板吸收入射太阳能实现集热作用，工质流通管与吸热平板间优良的导热性有利于吸热平板吸收太阳辐射的热量为工质加热。通过位于顶部的双玻太阳电池组件玻璃与pv/t集热器外部空气隔离，进而减少吸热板热量通过pv/t集热器顶部耗散到环境中，实现保温作用。利用低导热率的空气层减小吸热板温度对太阳电池温度的影响。通过保温材料进一步减小集热器热量通过底部和侧面向空间环境耗散。

2、本发明公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器及实现方法，建立双玻太阳电池pv/t集热器主要参数及结构之间关系，通过调整双玻太阳电池组件中太阳电池数量和相邻太阳电池之间的间隙，调节太阳电池覆盖率，实现透光率范围在5％-80％之间，太阳电池覆盖率在95％-20％之间，进而调节双玻太阳电池pv/t集热器工作温度，双玻太阳电池组件的输出功率。

3、本发明公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器及实现方法，通过上述改进，能够提高pv/t集热器实用性，降低吸热板导致太阳电池温度升高的影响，实现太阳能转换效率与实用性之间平衡，还具有结构简单的优点。

附图说明

图1为双玻太阳电池pv/t集热器结构示意图；

图2为双玻太阳电池pv/t集热器剖面图；

图3为双玻太阳电池结构及能量传输示意图；

图4不同覆盖率下吸热板温度特性图；

图5样机工作特性图，其中(a)太阳辐照度图，(b)吸热板及电池组件温度(50％)；(c)入口出口端气体温度(50％)；(d)吸热板及电池组件温度(10％)；(e)入口出口端气体温度(10％)；(f)太阳电池组件输出功率。

其中：1-双玻太阳电池组件、2-空气层、3-工质出口、4-吸热板、5-保温材料层、6-边框、7-工质入口、1.1-上层玻璃、1.2-eva胶膜、1.3太阳电池、1.4-下层玻璃、4.1-吸热平板、4.2-工质流通管。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

为了验证本发明的可行性，设计了尺寸为1960mm*990mm、透光率分别为50％、10％两种双玻太阳电池组件1，设计两个双玻太阳电池pv/t集热器。在太阳辐照度为800w/m²，太阳电池片1.3转换效率为15％，对于双玻太阳电池组件1透光率为50％的pv/t集热器，吸热板4温度为84℃，双玻太阳电池组件1温度为68℃，双玻太阳电池组件1输出功率为136w，对于双玻太阳电池组件1透光率为10％的pv/t集热器，吸热板4温度为43℃，双玻太阳电池组件1.3温度为68℃，双玻太阳电池组件1输出功率为244.8w。在双玻太阳电池组件1透光率为50％的pv/t集热器中，双玻太阳电池组件1温度小于吸热板4温度，在双玻太阳电池组件1透光率为10％的pv/t集热器中，双玻太阳电池组件1温度大于于吸热板4温度。

如图1、2所示，本实施例公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器，主要由双玻太阳电池组件1、空气层2、吸热板4、保温材料层5、边框6组成。双玻太阳电池组件1作用主要包括：一是光伏发电，将太阳能转换为电能输出；二是透光，通过太阳电池片1.3之间的间隙，太阳光经过空气层到达吸热板转换为热能；三是保温，双玻太阳电池组件1位于pv/t集热器顶部，利用双玻太阳电池组件1中玻璃的低导热特性，将pv/t集热器吸热板与外部空气隔离，进而减少吸热板热量通过pv/t集热器顶部耗散到环境中。双玻太阳电池组件1包括上层玻璃1.1、eva胶膜1.2、太阳电池片1.3、下层玻璃1.4。双玻太阳电池组件中相邻太阳电池片之间预留用于太阳光入射的间隙，间隙面积与双玻太阳电池组件总面积之比称为透光率，太阳电池面积与双玻太阳电池组件总面积之比称为覆盖率。太阳电池功率由双玻太阳电池组件透光率或覆盖率而定。所述空气层2作用为：利用空气层低导热率减小吸热板温度对太阳电池温度的影响。所述吸热板4用于吸收入射太阳能实现集热作用，包括吸热平板4.1、工质流通管4.2。保温材料层5用于减小集热器热量通过底部和侧面向空间环境耗散，起到保温作用。边框6主要用于固定双玻太阳电池pv/t集热器各个部件。双玻太阳电池组件1位于双玻太阳电池pv/t集热器顶部。双玻太阳电池组件1与吸热板4之间预留有用于减小吸热板温度对太阳电池温度影响的空气层。保温材料填充于双玻太阳电池pv/t集热器底部和周侧壁面，边框6位于保温材料层5外侧，用于固定双玻太阳电池pv/t集热器各个部件。

通过调整双玻太阳电池组件1中相邻太阳电池之间的间隙，调节双玻太阳电池的透光率，即调节太阳电池覆盖率，进而调节双玻太阳电池pv/t集热器工作温度，通过调整太阳电池片之间的间隙，实现透光率范围在10％-80％之间，即实现太阳电池覆盖率在90％-20％之间。

利用空气层低导热率减小吸热板温度对太阳电池温度的影响，根据所述影响大小，空气层的厚度为4cm之间。

吸热板4主要由吸热平板4.1、工质流通管4.2组成，工质流通管4.2由数根铜管平铺成排管，排管之间的距离为8cm之间，排管两端与集管焊接，排管与吸热平板4.1之间焊接连接，排管与吸热平板4.1间有很好的导热性能有利于吸热平板4.1吸收太阳辐射的热量，并为工质加热，加热工质由工质入口7加入，由工质出口3流出。对于吸热平板4.1要求具有大于95％的吸收率，发射率小于0.1。

工质流通管4.2中工质为水。

保温材料主要由玻璃棉组成，保温材料层5厚度在4-5cm。

综合考虑成本和固定支撑要求，边框材料6采用铝合金材料。

本实施例公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器的工作方法为：太阳光透过双玻太阳电池组件1中太阳电池之间的间隙，太阳光经过空气层到达吸热平板4.1转换为热能，所述吸热平板4.1与工质流通管4.2之间具有优良的导热性有利于吸热平板4.1吸收太阳辐射的热量，并为工质加热。通过位于顶部的双玻太阳电池组件1玻璃将吸热平板与pv/t集热器外部空气隔离，进而减少吸热板4热量通过pv/t集热器顶部耗散到环境中，实现保温作用。利用低导热率的空气层减小吸热板4对太阳电池温度的影响。通过保温材料层5进一步减小集热器热量通过底部和侧面向空间环境耗散。通过调整双玻太阳电池组件1中相邻太阳电池之间的间隙，调节太阳电池覆盖率，实现透光率范围在10％-80％之间，太阳电池覆盖率在90％-20％之间，进而调节双玻太阳电池pv/t集热器工作温度和通过双玻太阳电池组件1的输出功率。

本实施例公开的一种双玻太阳电池pv/t集热器的实现方法，具体实施步骤如下：

步骤一：建立双玻太阳电池pv/t集热器太阳电池温度、吸热板4温度与主要结构参数之间关系。

太阳电池温度tpv特性表示为(1)式所示。

式中，ta为集热器内部环境温度；noct为标称工作温度；e为太阳辐照度。

吸热板4温度与太阳电池覆盖率特性关系表示为(2)式所示。

tc＝[(1-ξ)·e·(τa)e]/ul+ta(2)

式中，ξ为太阳电池覆盖率；(τα)e为透明盖板透射比与吸热板吸收比的乘积；ul为集热器的热损失系数。

即通过公式(1)、(2)建立双玻太阳电池pv/t集热器太阳电池温度、吸热板4温度与设计结构参数之间关系。所述主要结构参数包括双玻太阳电池组件1的透光率、覆盖率、热损失系数、玻璃的透射率、吸热板吸收率。

步骤二：建立双玻太阳电池pv/t集热器主要结构参数及结构与能量转换传输之间的关系，包括双玻太阳电池组件1光电转换关系、能量传输关系、集热器内部热传输关系、双玻太阳电池pv/t集热器热损失关系。

双玻太阳电池pv/t集热器入射太阳能量qa表示为(3)式所示。

qa＝ae(3)

上式中，a为双玻电池组件的面积。

双玻太阳电池组件的输出电功率qe关系为(4)式所示，即建立双玻太阳电池组件光电转换关系如公式(4)所示。

qe＝aeηξ(4)

上式中，η为太阳电池光电转换效率，a为双玻电池组件的面积。

双玻太阳电池组件透过太阳能量qr表示为(5)式所示。

qr＝aeτ(1-ξ)(5)

上式中，τ为双玻电池组件中玻璃的透过率。

吸热板吸收太阳能qxr表示为(6)式所示。

qxr＝aeτ(1-ξ)(τα)e(6)

上式中，(τa)e为吸热板吸收率。

在双玻太阳电池pv/t集热器中，太阳电池组件与集热器吸热平板间热传输主要为热辐射和空气对流传热两种方式，传输的热量qt表示为(7)式所示。

qt＝qtr+qtc(7)

其中，辐射传热部分热量qtr表示为(8)式所示。

式中，tc为吸热板温度；ε为太阳电池组件发射率；c0为太阳电池组件辐射系数。

对流传热部分热量qtc表示为(9)式所示。

qtc＝ah(tpv-tc)(9)

上式中，h为空气的对流传热系数。

即通过公式(7)、(8)、(9)建立集热器内部热传输关系。

pv/t集热器在转换太阳能为电能热能的同时，会向周围环境辐射热量，称之为热损失。双玻太阳电池pv/t集热器热损失主要包括顶部、背部及侧部热损失，其与集热器的结构、材料和工作温度参数有关，损失热量ql近似表示为(10)式所示。

上式中，δb为集热器背部保温材料厚度；δe为侧部保温材料厚度；λb为集热器背部保温材料热导率；λe为集热器侧部保温材料热导率；ab为集热器背部面积；ae为集热器侧部隔热层面积；ut为顶部太阳电池组件热损失系数。

即通过公式(10)建立双玻太阳电池pv/t集热器的热损失关系。

步骤三：根据实际工况，基于步骤一建立双玻太阳电池pv/t集热器太阳电池温度、吸热板4温度与主要结构参数之间关系，以及建立双玻太阳电池pv/t集热器主要结构参数及结构与能量转换传输之间的关系，得到所述双玻太阳电池pv/t集热器实现参数，并按照所述双玻太阳电池pv/t集热器实现参数和结构关系安装布设双玻太阳电池pv/t集热器。

根据实际工况，根据能量守恒定律，由(6)(7)(8)(9)(10)式，建立双玻太阳电池pv/t集热器主要参数与输出热量之间的特性关系如(11)式所示。

根据实际工况，并根据公式(2)(4)(11)得到所述双玻太阳电池pv/t集热器实现参数，并按照所述双玻太阳电池pv/t集热器实现参数和结构关系安装布设双玻太阳电池pv/t集热器。

步骤四：根据实际工况，基于步骤一建立双玻太阳电池pv/t集热器太阳电池温度、吸热板4温度与主要结构参数之间关系，以及建立双玻太阳电池pv/t集热器主要结构参数及结构与能量转换传输之间的关系，通过调整双玻太阳电池组件1中太阳电池片之间的间隙，调节太阳电池覆盖率，实现透光率范围在10％-80％之间，太阳电池覆盖率在90％-20％之间，进而调节双玻太阳电池pv/t集热器工作温度。

设计的双玻太阳电池组件1透光率为50％和10％两种pv/t集热器样机的测试结果如图5所示。从测试结果可以看出，在透光率50％pv/t集热系统中，太阳电池温度最高为76℃，吸热板最高温度达97℃，高于双玻电池组件1温度；在透光率10％pv/t集热系统中，太阳电池温度最高为94℃，吸热板最高温度为71℃，吸热板温度低于双玻太阳电池温度，其与理论分析结果一致。在双玻太阳电池pv/t空气集热器中，吸热板与太阳电池间的最高温度差超过30℃，吸热板和太阳电池之间的相互影响减弱，通过控制双玻太阳电池的透光率，能够在提高pv/t集热器工作温度的同时，减小对太阳电池工作温度的影响。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。